Мощь терагерца в маленьком чипе.

Прикрепив тонкий узорчатый лист материала к задней стороне чипа, выделенного в центре и показанного на микрофотографии слева, исследователи создали более эффективный, но при этом масштабируемый генератор терагерцовых волн на основе чипа. Источник.

Использование терагерцовых волн в ИТ способно удовлетворить наши запросы на повышение производительности устройств. Обладая меньшей длиной волны и, соответственно, большей частотой колебаний, чем привычные радиоволны, такие решения напрямую ускоряют передачу данных, увеличивают точность визуализации и разрешающую способность сенсоров, датчиков и радаров. Помимо этого, занимая положение в электромагнитном спектре до инфракрасного света, они могут безопасно проникать в более широкий спектр материалов, благодаря чему их можно использовать в медицине.

Однако генерация таких волн с помощью полупроводникового чипа всё ещё остаётся малоэффективной. Поскольку нам нужна высокая мощность излучения (она позволяет терагерцовым сигналам распространяться дальше), для достаточного её обеспечения большинство современных подходов к генерации волны опираются на громоздкие и дорогие кремниевые линзы. Будучи больше самого чипа, они затрудняют встраивание генератора излучения в электронное устройство.

Ответом на эти ограничения стала система усилителя-умножителя терагерцового диапазона без использования кремниевых линз от специалистов Массачусетского технологического института. Она обеспечивает излучения более высокой, чем у существующих подходов, мощности. В прошлом году мы рассказывали о решении, созданном китайскими исследователями, основанном на программируемых спинтронных излучателях; теперь же обратим внимание на разработку MIT.

Это забавно, но более эффективный — и при этом масштабируемый — генератор терагерцовых волн удалось создать всего лишь прикрепив тонкий лист материала с рисунком к задней части чипа с более мощными транзисторами. То, что получилось можно использовать для создания целых массивов чипов терагерцового диапазона. Это очень пригодится в сканерах систем безопасности для обнаружения скрытых объектов, в зондировании почвы, вод и окружающей среды в целом.

«Чтобы в полной мере использовать преимущества источника терагерцовых волн, нам нужно, чтобы он был масштабируемым. В терагерцовом массиве могут быть сотни чипов, и там нет места для размещения кремниевых линз, потому что чипы расположены с такой высокой плотностью. Нам нужен другой корпус, и здесь мы продемонстрировали многообещающий подход, который можно использовать для масштабируемых и недорогих терагерцовых массивов», — говорит Цзиньчэнь Ван, аспирант факультета электротехники и компьютерных наук (EECS) и ведущий автор статьи о терагерцовом излучателе.

Создание волны.

Один из проверенных способов генерации терагерцовых волн представляет собой цепочку усилителей-умножителей на основе КМОП-чипа. Эти микросхемы на базе комплементарных металло-оксидных полупроводников (КМОП или CMOS) призваны увеличивать частоту радиоволн до тех пор, пока не будет достигнут терагерцовый диапазон. Последующее проведение волны через кремниевый чип с выводом её в открытый воздух позволяет добиться наилучших результатов.  

Однако весь праздник портит так называемая диэлектрическая проницаемость, которая препятствует плавному распространению волн. Она влияет на взаимодействие электромагнитных волн с материалом, обуславливая количество поглощаемого, отражаемого или пропускаемого излучения. Поскольку это свойство кремния намного выше, чем у воздуха, большинство генерируемых терагерцовых волн отражаются на границе между кремнием и воздухом, а не чисто передаются назад в чип.

Следствием этого становятся большие потери мощности сигнала. Именно для их снижения и применяются в современных подходах пресловутые кремниевые линзы. Их назначение, с которым они в общем-то неплохо справляются, — в усилении оставшегося сигнала на границе микросхемы и окружающей среды.

Но что, если для минимизации отражений не увеличивать их мощность, а сократить разногласия в диэлектрической проницаемости кремния и воздуха? Исследователи опирались на электромеханическую теорию, известную как согласование. Оно как раз стремится уравнять эти показатели двух сред, чтобы минимизировать количество сигнала, отражающегося на границе.

Чтобы реализовать задуманное, решено было сократить площадь соприкосновения кремния и окружающей среды подходящим материалом. В качестве такового был выбран недорогой, доступный материал с диэлектрической проницаемостью, очень близкой к необходимой для согласования. Заготовка потребовала настройки в виде крошечных отверстий, проделанных в листе помощью лазерного резака. Посредством таких манипуляций удалось добиться диэлектрической проницаемости, точно соответствующей цели, что положительно сказалось на устройстве повышением его производительности.

«Поскольку диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1, если вы просто вырежете в листе несколько отверстий длиной меньше длины волны, это будет эквивалентно вдуванию воздуха, что снизит общую диэлектрическую проницаемость соответствующего листа», — объясняет Ван.

Так и получилось, что всего лишь приклеенный к задней стороне микросхемы тонкий лист материала, сглаживающий разницу диэлектрической проницаемости между кремнием и воздухом, обеспечивает прирост производимости без участия громоздких зеркал. Наличие такого согласующего листа создаёт условия, при которых большинству волн легче остаться в чипе, чем отражаться.

Масштабируемость.

Кроме того, команда разработала свой чип со специальными транзисторами Intel, которые имеют более высокую максимальную частоту и напряжение пробоя, чем традиционные транзисторы CMOS.

В результате получившийся чип выдал генерацию терагерцовых сигналов с пиковой мощностью излучения 11,1 дБ/мВт (децибел-милливатт), что является лучшим показателем среди современных технологий. Более того, поскольку этот недорогой чип можно производить в больших масштабах, его можно с лёгкостью интегрировать в реальные электронные устройства.

«Эти две вещи в совокупности — более мощные транзисторы и диэлектрический лист, а также несколько других небольших инноваций — позволили нам превзойти несколько других устройств», — говорит учёный.

Однако не всё было так просто. Эта воодушевляющая мощность как раз очень препятствовала масштабируемости: определение того, как управлять ею и температурой при генерации ТГц-волн стало одной из самых сложных задач. Но и она была решена.

«Поскольку частота и мощность настолько высоки, многие стандартные способы проектирования КМОП-чипов здесь неприменимы», — отмечает автор работы.

Сегодня уже проработан для промышленного применения и метод установки на чипы согласующего листа. Теперь учёные хотят провести опытную демонстрацию этой масштабируемости, создав фазированный массив источников терагерцового излучения на основе КМОП-матриц. Удача будет означать создание меча джедая появление возможности направлять и фокусировать мощный терагерцовый луч с помощью недорогого и компактного устройства.

АРМК, по материалам MIT.